80C51上電復(fù)位和復(fù)位延時(shí)的時(shí)序分析

1 上電復(fù)位時(shí)序

在單片機(jī)及其應(yīng)用電路每次上電的過(guò)程中，由于電源同路中通常存在一些容量大小不等的濾波電容，使得單片機(jī)芯片在其電源引腳VCC和VSS之間所感受到的電源電壓值VDD，是從低到高逐漸上升的。該過(guò)程所持續(xù)的時(shí)間一般為1～100ms(記作tsddrise)。上電延時(shí)taddrise的定義是電源電壓從lO％VDD上升到90％VDD所需的時(shí)間，如圖1所示。

在單片機(jī)電源電壓上升到適合內(nèi)部振蕩電路運(yùn)行的范圍并且穩(wěn)定下來(lái)之后，時(shí)鐘振蕩器開始了啟動(dòng)過(guò)程(具體包括偏置、起振、鎖定和穩(wěn)定幾個(gè)過(guò)程)。該過(guò)程所持續(xù)的時(shí)間一般為1～50 ms(記作tOSC)。起振延時(shí)tOSC的定義是時(shí)鐘振蕩器輸出信號(hào)的高電平達(dá)到Vih1所需的時(shí)間。從圖1所示的實(shí)際測(cè)量圖中也可以看得很清楚。這里的Vih1是單片機(jī)電氣特性中的一個(gè)普通參數(shù)，代表XTALl和RST引腳上的輸入邏輯高電平。例如，對(duì)于常見的單片機(jī)型號(hào)AT89C5l和AT89S5l，廠家給出的Vih1值為0．7VDD～VDD+0．5V。

從理論上講，單片機(jī)每次上電復(fù)位所需的最短延時(shí)應(yīng)該不小于treset。這里，treset等于上電延時(shí)taddrise與起振延時(shí)tOSC之和，如圖1所示。從實(shí)際上講，延遲一個(gè)treset往往還不夠，不能夠保障單片機(jī)有--一個(gè)良好的工作開端。

在單片機(jī)每次初始加電時(shí)，首先投入工作的功能部件是復(fù)位電路。復(fù)位電路把單片機(jī)鎖定在復(fù)位狀態(tài)上并且維持一個(gè)延時(shí)(記作TRST)，以便給予電源電壓從上升到穩(wěn)定的一個(gè)等待時(shí)間；在電源電壓穩(wěn)定之后，再插入一個(gè)延時(shí)，給予時(shí)鐘振蕩器從起振到穩(wěn)定的一個(gè)等待時(shí)間；在單片機(jī)開始進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)之前，還要至少推遲2個(gè)機(jī)器周期的延時(shí)，如圖2所示。

2 上電復(fù)位電路3款

上述一系列的延時(shí)，都是利用在單片機(jī)RST引腳上外接一個(gè)RC支路的充電時(shí)間而形成的。典型復(fù)位電路如圖3(a)所示，其中的阻容值是原始手冊(cè)中提供的。在經(jīng)歷了一系列延時(shí)之后，單片機(jī)才開始按照時(shí)鐘源的工作頻率，進(jìn)入到正常的程序運(yùn)行狀態(tài)。從圖2所示的實(shí)測(cè)曲線中可以同時(shí)看到4條曲線：VDD、Vrst、XTAL2和ALE。在電源電壓以及振蕩器輸出信號(hào)穩(wěn)定之后，又等待了一段較長(zhǎng)的延時(shí)才釋放RST信號(hào)，使得CPU脫離復(fù)位鎖定狀態(tài)；而RST信號(hào)一旦被釋放，立刻在ALE引腳上就可檢測(cè)到持續(xù)的脈沖信號(hào)。

由于標(biāo)準(zhǔn)80C51的復(fù)位邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，復(fù)位源只有RST一個(gè)(相對(duì)新型單片機(jī)來(lái)說(shuō)，復(fù)位源比較單一)，因此各種原因所導(dǎo)致的復(fù)位活動(dòng)以及復(fù)位狀態(tài)的進(jìn)入，都要依靠在外接引腳RST上施加一定時(shí)間寬度的高電平信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

標(biāo)準(zhǔn)80C5l不僅復(fù)位源比較單一，而且還沒有設(shè)計(jì)內(nèi)部上電復(fù)位的延時(shí)功能，因此必須借助于外接阻容支路來(lái)增加延時(shí)環(huán)節(jié)，如圖3(a)所示。其實(shí)，外接電阻R還是可以省略的，理由是一些CMOS單片機(jī)芯片內(nèi)部存在一個(gè)現(xiàn)成的下拉電阻Rrst。例如，AT89系列的Rrst阻值約為50～200kΩ；P89V51Rx2系列的Rrst阻值約為40～225 kΩ，如圖4所示。因此，在圖3(a)基礎(chǔ)上，上電復(fù)位延時(shí)電路還可以精簡(jiǎn)為圖3(b)所示的簡(jiǎn)化電路(其中電容C的容量也相應(yīng)減小了)。

在每次單片機(jī)斷電之后，須使延時(shí)電容C上的電荷立刻放掉，以便為隨后可能在很短的時(shí)間內(nèi)再次加電作好準(zhǔn)備。否則，在斷電后C還沒有充分放電的情況下，如果很快又加電，那么RC支路就失去了它應(yīng)有的延遲功能。因此，在圖3(a)的基礎(chǔ)上添加一個(gè)放電二極管D，上電復(fù)位延時(shí)電路就變成了如圖3(c)所示的改進(jìn)電路。也就是說(shuō)，只有RC支路的充電過(guò)程對(duì)電路是有用的，放電過(guò)程不僅無(wú)用，而且會(huì)帶來(lái)潛在的危害。于是附加一個(gè)放電二極管D來(lái)大力縮短放電持續(xù)時(shí)間，以便消除隱患。二極管D只有在單片機(jī)斷電的瞬間(即VCC趨近于0V，可以看作VCC對(duì)地短路)正向?qū)ǎ綍r(shí)一直處于反偏截止?fàn)顟B(tài)。

3 上電復(fù)位失敗的2種案例分析

假如上電復(fù)位延遲時(shí)間不夠或者根本沒有延時(shí)過(guò)程，則單片機(jī)可能面臨以下2種危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致CPU開始執(zhí)行程序時(shí)沒有一個(gè)良好的初始化，甚至陷入錯(cuò)亂狀態(tài)。

①在時(shí)鐘振蕩器輸出的時(shí)鐘脈沖還沒有穩(wěn)定，甚至還沒有起振之前，就因釋放RST信號(hào)的鎖定狀態(tài)而放縱CPU開始執(zhí)行程序。這將會(huì)導(dǎo)致程序計(jì)數(shù)器PC中首次抓取的地址碼很可能是0000H之外的隨機(jī)值，進(jìn)而引導(dǎo)CPU陷入混亂狀態(tài)。參考圖5所示的實(shí)測(cè)信號(hào)曲線。

②在電源電壓還沒有上升到合適范圍之前(自然也是時(shí)鐘尚未穩(wěn)定之前)，就釋放RST信號(hào)的鎖定狀態(tài)，將會(huì)使單片機(jī)永遠(yuǎn)感受不到復(fù)位信號(hào)、經(jīng)歷不到復(fù)位過(guò)程、包含PC在內(nèi)的各個(gè)SFR內(nèi)容沒有被初始化而保留了隨機(jī)值，從而導(dǎo)致CPU從一個(gè)隨機(jī)地址開始執(zhí)行程序，進(jìn)而也陷入混亂狀態(tài)。參考圖6所示的實(shí)測(cè)信號(hào)曲線。

4 外接監(jiān)控器MAX810x

為了提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及保障單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠復(fù)位，許多世界著名的半導(dǎo)體公司，陸續(xù)推出了種類繁多、功能各異、封裝微小的專用集成電路。本文僅以帶有電源電壓跌落復(fù)位和上電延遲復(fù)位功能的3腳芯片MAX810x為例，簡(jiǎn)單說(shuō)明。

MAX810x(x=L、M、J、T、S或R)是美國(guó)Maxim公司研制的一組CMOS電源監(jiān)控電路，能夠?yàn)榈凸奈⒖刂破鱉CU(或μC)、微處理器MPU(或μP)或數(shù)字系統(tǒng)監(jiān)視3～5V的電源電壓。在電源上電、斷電和跌落期間產(chǎn)生脈寬不低于140ms的復(fù)位脈沖。與采用分立元件或通用芯片構(gòu)成的欠壓檢測(cè)電路相比，將電壓檢測(cè)和復(fù)位延時(shí)等功能集成到一片3引腳封裝的小芯片內(nèi)，大大降低了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，減少了元器件的數(shù)量，顯著提高了系統(tǒng)可靠性和精確度。應(yīng)用電路如圖7所示。

MAX810x系列產(chǎn)品提供高電平復(fù)位信號(hào)，并且還能提供6種固定的檢測(cè)門限(4．63V、4．38V、4．OOV、3．08V、2．93V和2．63V)。例如，MAX810M的檢測(cè)門限電壓就是4．38V，回差電壓約為O．16V。

對(duì)于MAX810，在電源上電、斷電或跌落期間，只要VCC還高于1．1V，就能保證RESET引腳輸出高電壓。在VCC上升期問RESET維持高電平，直到電源電壓升至復(fù)位門限以上。在超過(guò)此門限后，內(nèi)部定時(shí)器大約再維持240 ms后釋放RESET，使其返回低電平。無(wú)論何時(shí)只要電源電壓降低到復(fù)位門限以下(即電源跌落)，RESET引腳就會(huì)立刻變高。